光伏發(fā)電MPPT恒壓跟蹤法優(yōu)化研究

李正 馬航

摘 要：在太陽能光伏發(fā)電中，實(shí)現(xiàn)高效的最大功率輸出是重要的研究方向。本文主要對(duì)恒壓跟蹤法進(jìn)行優(yōu)化，在光伏發(fā)電板溫度變化時(shí)，使恒壓跟蹤能相對(duì)精確地隨溫度實(shí)現(xiàn)變壓跟蹤，通過在PSIM上建立仿真模型進(jìn)行分析驗(yàn)證。該方法具有較好的功率輸出，控制及實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單，所以它在具體的光伏發(fā)電工程中有很高的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：恒壓跟蹤法;MPPT;PSIM仿真

中圖分類號(hào)：TM615文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）29-0130-03

Absrtuct： In solar photovoltaic power generation， achieving high-efficiency maximum power output is an important research direction. This paper mainly optimized the constant voltage tracking method， which enabled constant voltage tracking to achieve variable voltage tracking with temperature relatively accurately when the temperature of the photovoltaic power generation panel changed， the simulation model was established on PSIM for analysis and verification. This method has good power output and is simple to control and implement， so it has high practicability in specific photovoltaic power generation projects.

Keywords： constant pressure tracking method;MPPT;PSIM simulation

在快速發(fā)展的今天，不可再生能源越來越匱乏，國(guó)家大力提倡發(fā)展可再生資源，而太陽能資源開發(fā)和利用是未來發(fā)展的主要趨勢(shì)之一[1-2]。光伏發(fā)電是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，對(duì)于我國(guó)廣闊的西北地區(qū)及偏遠(yuǎn)落后的地方來說，微電網(wǎng)可以很好地解決用戶的用電問題，然而光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率低，所以該發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤點(diǎn)是一個(gè)研究重點(diǎn)。目前，MPPT跟蹤主要有恒壓跟蹤法、擾動(dòng)觀測(cè)法和電導(dǎo)增量法等。它們都會(huì)或多或少地存在缺陷，本文主要對(duì)恒壓跟蹤法進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠較好地滿足跟蹤要求。

1 外界因素對(duì)光伏發(fā)電輸出特性的影響

太陽能發(fā)電受到外界環(huán)境的影響，使得實(shí)際應(yīng)用中輸出的電能是變化的，影響該變化的因素有光照強(qiáng)度、外界溫度及濕度等。其中，主要影響因素是光照強(qiáng)度與溫度。

光伏發(fā)電板表面溫度一定時(shí)，隨著光照強(qiáng)度增加，開路電壓與開路電流增加，輸出最大功率也增大。當(dāng)溫度與光照強(qiáng)度都不變時(shí)，輸出功率隨著電壓的增大而增大，直到達(dá)到最大輸出功率后，再增加電壓，輸出功率開始下降。在光照強(qiáng)度一定時(shí)，隨著溫度的變化，短路電流變化不明顯，開路電壓隨著溫度的增加開始下降，最大輸出功率也開始下降。

2 MPPT的跟蹤方法

目前，在光伏發(fā)電中，最大輸出功率跟蹤法主要有恒壓跟蹤法、擾動(dòng)觀測(cè)法、電導(dǎo)增量法等，根據(jù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其分別應(yīng)用在不同的工程領(lǐng)域。

2.1 恒壓跟蹤法

在MPPT算法中，恒壓跟蹤法是最簡(jiǎn)單的一種跟蹤方法，在設(shè)定好合理的電壓參考點(diǎn)后可以快速地達(dá)到最大輸出功率點(diǎn)[3]，在對(duì)控制要求不高的系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。恒壓跟蹤法也有著很大的缺點(diǎn)，溫度變化時(shí)，其最大輸出功率對(duì)應(yīng)的電壓是不斷變化的，即開路電壓的輸出會(huì)隨著溫度的改變而改變，導(dǎo)致輸出功率誤差變大[4]。

2.2 擾動(dòng)觀測(cè)法

擾動(dòng)觀測(cè)法又稱爬山法，在設(shè)定的采樣時(shí)間里采集輸出的電壓和電流的值，根據(jù)式（1）計(jì)算擾動(dòng)前后的輸出功率，比較擾動(dòng)前后的輸出功率，同時(shí)觀測(cè)其功率的大小與方向的變化情況，不斷施加擾動(dòng)直到輸出功率到達(dá)最大輸出功率附近[5]。然而，擾動(dòng)觀測(cè)法在選定步長(zhǎng)時(shí)比較困難。

式中，P為輸出功率，W;U為輸出電壓，V;I為輸出電流，A。

2.3 電導(dǎo)增量法

在MPPT跟蹤算法中，增量電導(dǎo)法也是常用的一種方法，其原理是在最大功率點(diǎn)時(shí)太陽能電池的輸出功率對(duì)輸出電壓的微分為0，此時(shí)可以得出式（1）。

同時(shí)從式（1）兩端對(duì)U求導(dǎo)，可得：

當(dāng)dP/dU>0時(shí)，U小于最大功率點(diǎn)電壓Umax;當(dāng)dP/dU<0時(shí)，U大于最大功率點(diǎn)電壓Umax;當(dāng)dP/dU=0，U等于最大功率點(diǎn)電壓Umax。

找到dP/dU=0的工作點(diǎn)，其為輸出最大功率點(diǎn)[6]。電導(dǎo)增量法比擾動(dòng)觀測(cè)法的精度更高，但是這種控制算法實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，同時(shí)電導(dǎo)增量法對(duì)硬件的要求也很高。

3 恒壓跟蹤法優(yōu)化

由于恒壓跟蹤法控制簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，所以該算法一直被廣泛應(yīng)用。為了使得該方法能夠更加準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)跟蹤的目的，本文提出在眾多光伏發(fā)電板發(fā)電的同時(shí)，抽取出很少的幾塊發(fā)電板，專門用來采集開路電壓。換句話說，在廣闊的太陽能發(fā)電基地抽取合適的幾塊發(fā)電板，它們不是用來發(fā)電而是用來實(shí)時(shí)采集開路電壓，這幾塊板的開路電壓求和并取平均，即可得到每一塊的平均開路電壓。

3.1 恒壓跟蹤法原理

如圖1所示，在溫度一定時(shí)，不同的光照強(qiáng)度下，太陽能電池板輸出的最大功率點(diǎn)幾乎都在同一條垂直線的附件，這樣就可以把這條最大功率線近似看成電壓Um，該電壓Um與開路電壓滿足線性關(guān)系：

式中，Um為最大功率點(diǎn)電壓;k為系數(shù)，取值約為0.76;Uoc為光伏電池的開路電壓。

故而可以得到，當(dāng)溫度不變時(shí)，不管光照強(qiáng)度是多少，選取的該恒壓參考點(diǎn)為0.76Uoc。

經(jīng)過仿真測(cè)試，所選太陽能板的開路電壓為Uoc=22 V。恒壓跟蹤法所仿真的曲線結(jié)果如圖2所示，Uoc是定值，隨著溫度的改變，有仿真結(jié)果顯示該方法沒有很好地實(shí)現(xiàn)MPPT跟蹤。

3.2 優(yōu)化恒壓跟蹤法的開路電壓

在具體的工程與實(shí)際應(yīng)用中，一天的溫度是不斷變化的，所以開路電壓Uoc也隨著溫度而變化，因?yàn)楹銐焊櫡ǖ碾妷菏且粋€(gè)恒定值，這樣就導(dǎo)致跟蹤效率不高。但是，在同一片光伏發(fā)電場(chǎng)中，每塊發(fā)電板的溫度幾乎相同，本研究采取舍棄幾塊發(fā)電板的方法用來實(shí)時(shí)檢測(cè)其開路電壓Uoc，將其作為其他發(fā)電板在使用恒壓跟蹤法時(shí)的輸入開路電壓。隨著溫度的變化，Uoc跟著變化，Uoc也跟著變化，這樣可以很好地實(shí)現(xiàn)變壓跟蹤，極大地提高了輸出功率的利用率。

4 PSIM仿真及結(jié)構(gòu)分析

本研究對(duì)恒壓跟蹤法的缺點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，在PSIM軟件中建立仿真模型，同時(shí)進(jìn)行仿真分析。該仿真選取3塊太陽能發(fā)電板，其中2塊進(jìn)行發(fā)電，1塊作為實(shí)時(shí)采集的開路電壓為其中2塊提供可變的變壓跟蹤，通過可編程模塊C-block進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)輸出與相對(duì)應(yīng)的電壓輸出，編寫流程如圖3所示。PSIM軟件中建立的仿真模型如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)溫度變化時(shí)，開路電壓跟著變化，使得恒壓跟蹤成為變壓跟蹤，不再受溫度的影響，其仿真曲線如圖5所示。由圖5可知，在外界溫度變化時(shí)，如果采用其中一塊發(fā)電板來實(shí)時(shí)檢測(cè)開路電壓，就能夠很好地實(shí)現(xiàn)MPPT跟蹤。

5 結(jié)論

本文利用PSIM軟件建立仿真模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在外界溫度變化時(shí)，如果采用其中一塊發(fā)電板來實(shí)時(shí)檢測(cè)開路電壓，就能夠很好地實(shí)現(xiàn)MPPT跟蹤。因此，規(guī)模較大的太陽能發(fā)電廠可以犧牲較少的幾塊發(fā)電板，更多地實(shí)現(xiàn)剩余太陽能板的最大功率輸出，此方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

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